Les technologies de l'eau : situation et développements

Par Sylvie Baig, Responsable Scientifique Innovation à la Société Degrémont, groupe Suez Environnement, et Michel Roustan, Professeur Émérite de Génie des Procédés à l’Institut National des Sciences Appliquées de Toulouse.L’eau est essentielle à la vie et a toujours constitué un facteur clé du développement de l’activité humaine d’où l’intérêt de la protéger. Son usage s’est d’ailleurs intensifié et les volumes d’eau utilisés par l’homme ont décuplé depuis le début du XXe siècle. L’agriculture consomme près de 70 % de l’eau utilisée, l’industrie 20 % et l’utilisation domestique 10 %. La consommation varie selon les pays car elle dépend notamment du climat, du mode d’agriculture, du niveau d’industrialisation des pays et des secteurs, du niveau d’accès à l’eau potable et des pratiques domestiques. Bien que l’eau soit la ressource la plus abondante sur Terre, l’eau douce accessible ne compte que pour moins de 1 % de la ressource totale mondiale et est inégalement répartie. Au plan mondial, l’essor démographique, l’urbanisation croissante, le développement économique s’accompagnent d’une hausse de la consommation en eau et d’une dégradation accrue de la qualité des ressources naturelles. Résultat : l’eau représente l’un des enjeux majeurs du XXIe siècle. Pour y faire face, la réglementation ne cesse de se renforcer visant une meilleure gestion des ressources en eau pour préserver la santé des consommateurs et, au-delà, assurer un usage raisonné et durable de l’eau. Ce contexte imprime un fort dynamisme dans le développement des technologies de l’eau.

Les technologies de traitement de l’eau

L’eau pure n’existe pas dans la nature. Elle contient diverses substances provenant soit du milieu dans lequel elle a évolué, soit des rejets d’activités humaines. Il est donc nécessaire de la traiter afin d’éliminer les polluants qu’elle contient jusqu’à atteindre une qualité conforme à son utilisation ultérieure : eau de consommation ou eau de procédé industriel. L’eau usée est épurée avant recyclage dans le procédé industriel, réutilisation ou rejet dans le milieu naturel ou recyclage (Fig. 1 et 2).

Figure 1 : Cycle Urbain de l’eau

Figure 2 : cycle de l’eau – usage industriel

La nature des polluants et le débit d’eau à traiter déterminent les opérations unitaires de traitement à mettre en œuvre en filière pour atteindre les objectifs de traitement réglementaires (cas de l’eau de consommation, de certaines eaux de procédé industriel, de l’eau restituée au milieu naturel) ou fixés par cahier des charges (cas de l’eau de procédé, de l’eau recyclée ou réutilisée dans l’industrie).

Les opérations unitaires – procédés industriels

Les différentes opérations unitaires couramment utilisées dans les procédés industriels de traitement de l’eau sont récapitulées à la figure 3 en fonction du type de pollution à laquelle elles s’adressent. L’élimination des matières colloïdales et des matières en suspension impliquent des techniques de séparation. Le principe du traitement des matières solubles est plus varié : conversion par réaction chimique ou biologique, transfert de phase, concentration…D’autres opérations unitaires concernent le traitement des déchets du traitement des eaux usées urbaines ou industrielles :

les boues produites : leur traitement consiste soit à réduire leur volume en séparant les phases liquide et solide (épaississement, déshydratation, séchage), soit à dégrader leur contenu organique par voie biologique (digestion, compostage) ou par voie chimique (oxydation par voie humide), et/ou à inhiber sa fermentation (stabilisation chimique ou biologique) ;

l’air vicié malodorant : il est collecté sur les ouvrages et épuré par absorption avec réaction chimique, adsorption, oxydation chimique ou biologique.

Figure 3 : opérations unitaires du traitement de l’eau selon la nature et la forme de pollution

Pour chaque opération, différentes techniques de mise en œuvre existent. Description détaillée est faite dans les différents articles des Techniques de l’Ingénieur.

Les filières de traitement

Les différents procédés unitaires sont intégrées en filières sur la base de :

leur domaine particulier d’application (débit, nature du polluant, concentration, performances, coûts d’investissement et d’exploitation) ;
leur besoin en terme de prétraitement en vue d’optimiser les performances et le dimensionnement de l’installation (matières en suspension, toxicité…) ;
leur impact sur le traitement aval (sous-produits, biodégradabilité et toxicité induites, conditions du milieu en pH et température) ;
le traitement des déchets issus du traitement de l’eau : air, concentrats ou saumures, effluents de lavage, boues.

La filière débute généralement par l’élimination des matières insolubles, se poursuit avec l’élimination des polluants solubles et s’achève sur la désinfection lorsque nécessaire. Elle est plus ou moins complexe selon les flux de pollution à abattre et de la variabilité journalière et saisonnière de ces derniers.

Orientations récentes et éléments prospectifs

L’ensemble s’articule autour de deux axes : filière de traitement et technologies.

Au niveau filières de traitement : une vision globale eau, énergie, matière, environnement

Le panorama des technologies du traitement de l’eau est vaste et s’accorde à l’utilisation de plus en plus fréquente de ressources alternatives aux ressources naturelles que sont les eaux de surface et les eaux naturelles moyennant l’adaptation des filières de traitement :

le dessalement de l’eau de mer et des eaux saumâtres par filière osmose inverse connaît une forte croissance devant la filière distillation pour la production d’eau potable. Elle est portée par la fiabilisation du prétraitement pour un meilleur contrôle des problèmes de colmatage, de la réduction des consommations énergétiques permise par les nouveaux matériaux membranaires et par la maîtrise de l’impact du captage et des rejets sur l’écologie marine (Fig. 4) ;

Figure 4 : exemple de filière de dessalement d’eau de mer en vue de la production d’eau potable (cas de l’usine LLobregat de Barcelone)

en complément au recyclage de l’eau dans une étape particulière du procédé, l’industrie adopte franchement la réutilisation des eaux usées avec des débits plus importants en boucle au niveau d’un site ou en cascade au niveau d’un parc industriel. Poussé à l’extrême, le rejet zéro est atteint. Les filières de traitement associent les technologies rustiques aux techniques avancées avec comme principaux critères de choix, les performances attendues, les coûts, la facilité de conduite, les contraintes d’exploitation, l’évaluation des risques encourus au regard du gain sur le prélèvement (Fig. 5 par exemple) ;

Figure 5 : stratégie d’optimisation de la réduction de production de boues en industrie

l’industrie s’intéresse également à l’utilisation des eaux pluviales. Les techniques de traitement adaptées exploitent le caractère particulaire des polluants comme dans le cas des rejets urbains par temps de pluie.

Les nouvelles filières assimilent les eaux résiduaires à une source d’énergie et visent au minimum l’autosuffisance assortie d’un bilan carbone optimisé : l’énergie thermique et hydraulique des eaux usées est récupérée, la digestion des boues est poussée à l’extrême souvent grâce à une pré-hydrolyse et le biogaz produit permet de co-générer de la chaleur ou de l’électricité. La stratégie de gestion des boues s’intègre alors complètement dans l’optimisation de la filière de traitement d’eau (Fig. 6).

Figure 6 : vue d’ensemble de l’installation ultrafiltration – osmose inverse pour la réutilisation en cascade de 70 % des eaux usées de la raffinerie de Taranto (Italie) en tant qu’eau déminéralisée de centrale d’énergie.

Au niveau technologies et procédés : intensification de procédé, ouverture de champ d’application, approche globale

L’intensification de procédé passe par l’optimisation de la conception des équipements et de leur dimensionnement, ce qui a pour conséquence d’augmenter les performances et ainsi d’améliorer la compétitivité : aération dans les procédés biologiques, mise en œuvre de bioréacteur à membranes, développement de systèmes à biofilm, application de pression de sélection dans les procédés biologiques, réduction de la production de boues par découplage du métabolisme…L’ouverture du champ d’application répond aux nouvelles réglementations en terme de désinfection et d’élimination de polluants organiques persistants. Elle concerne principalement les technologies de désinfection (UV en particulier) pour l’inactivation de parasites (Fig. 7), d’oxydation chimique (AOP), de séparation membranaire.

Figure 7 : exemple de filière de la production d’eau potable à partir d’eau de surface (cas de l’usine de Joinville).

Enfin, l’approche globale des procédés favorise l’émergence de nouvelles voies de valorisation matière pour les coproduits de traitement d’eau : biogaz sous forme d’hydrogène, cendres d’incinération des boues en matériaux de construction…

En transversal, une démarche scientifique concentrée à deux niveaux

Il s’agit :

d’accroître les connaissances fondamentales par une approche mécanistique : analyse multi-échelle (de la molécule au procédé), compréhension des phénomènes aux interfaces (capture de particules, émulsions, séparation membranaire), structuration de matrices biologiques et réactivité, sélectivité des espèces réactionnelles, utilisation d’outils de caractérisation (CFD…), de modélisation, d’analyse de cycle de vie.

de concevoir des réacteurs plus performants : multifonctionnels ; sélectifs vis-à-vis des polluants, intégrés dans une filière globale eau, énergie, matière.

Les directives européennes et l’eauLa politique communautaire de l’environnement est née en 1972 avec l’eau dans les premiers champs d’intervention de la la Communauté européenne : la première directive dans ce domaine date de 1975 et traite de la qualité des eaux potabilisables. À ce jour, plus d’une vingtaine de directives européennes concernent plus ou moins directement le cycle de l’eau (eaux destinées à la consommation humaine, ressource en eau, milieux naturels : eaux douces souterraines ou superficielles, eaux marines, eaux estuariennes).La directive cadre sur l’eau 2000/60/CE établit un cadre pour une politique communautaire dans le domaine de l’eau. Elle impose des objectifs environnementaux ambitieux :

l’atteinte, en 2015, du “bon état pour toutes les masses d’eau” (cours d’eau, lacs, eaux souterraines, eaux côtières et de transition) et la non-détérioration des ressources en eau ;
la réduction ou la suppression de la pollution par les substances prioritaires et les substances dangereuses prioritaires.

Elle complète les directives européennes déjà en vigueur (directive Nitrates issus de l’agriculture 91/676/CE, directive Eaux résiduaires Urbaines 91/271/CE, directives 91/414/CEE et 98/8/CE relatives à la mise sur le marché des produits phytopharmaceutiques et des biocides respectivement, la directive IPPC 96/61/CE sur la prévention et la réduction intégrées de la pollution et la directive 99/31/CE concernant la mise en décharge des déchets. Des directives “filles” clarifient certains objectifs de la DCE : directive 2006/118/CE sur la protection des eaux souterraines contre la pollution et la détérioration, directive 2007/60/CE relative à l’évaluation et à la gestion des risques d’inondation incluant les risques de pollution environnementale et les installations visées par la directive IPPC, directive 2008/105/CE établissant des normes de qualité environnementale des substances prioritaires et certains autres polluants dans le domaine de l’eau.Les États membres sont responsables de la mise en œuvre de la DCE au niveau national. Le texte a été transposé en droit français en particulier par la loi sur l’eau et les milieux aquatiques du 30 décembre 2006.Voir aussi :

Protection juridique et réglementaire des milieux aquatiques
RSDE : un grand chantier encore à ses débuts

Cet article a été initialement publié dans Instantanés Techniques, décembre 2009, n°56